La perte de matériaux engendrée par le rebond dans le béton projeté par voie sèche fait l'objet depuis déjà plusieurs dizaines d'années de nombreux travaux de recherche. Jusqu'ici, les efforts de recherche se concentraient sur la composition du mélange de béton ou encore sur l'équipement utilisé. Mais peu d'études traitent l'influence des techniques de mise en place sur l'efficacité de déposition. Fort de ses connaissances sur ce procédé, le laboratoire de béton projeté de l'Université Laval a décidé de tourner davantage cette étude vers les techniques d'application du béton projeté. Deux tendances sont présentes depuis quelques années dans l'industrie du béton projeté. Sa mise en place s'est orientée vers des applications assistées mécaniquement qui ont amené précisions et contrôle des paramètres mécaniques liés au mouvement de la lance. En parallèle l'industrie a vu le développement de bétons à ultra haute performance ou fibrés qui ont permis de concevoir des éléments de construction à épaisseur réduite et donc économes en ressources mais occasionnant des structures à géométrie complexe que la mise en place par coffrage n'autorise guère. C'est ainsi qu'a germé l'idée de mettre à profit la mise en place du béton projeté mécanique au service de la création de structures complexes et optimisées avec ces matériaux performant. Cette étude comporte donc un double objectif. Le premier est d'acquérir, installer et rendre fonctionnelle une solution robotisée qui, à long terme, permettra de développer un procédé de construction optimisé et autonome de projection pneumatique. Le deuxième objectif est d'étudier à l'aide de ce nouvel outil robotisé, les paramètres de mise en place afin de contrôler, et réduire d'avantage le rebond. Le contrôle précis du mouvement offert par cet équipement a permis de réduire considérablement les quantités de rebonds en explorant des aspects là où aucune donnée dans la littérature ne faisait mention et a remis en cause l'efficacité de certaines pratiques appliquées en béton projeté. / The loss of material caused by rebound in dry-mix shotcrete has been the subject of much research work for several decades now. Until now, research efforts to reduce this rebound have mainly focused on the concrete mix-design or the equipment used. Few studies have addressed the influence of placement techniques on the efficiency of the deposition. Based on its knowledge and in continuity with earlier projects, of its dynamics initiated a few years ago, the shotcrete laboratory of Université Laval decided to orient this study towards the application techniques of shotcrete. Two trends have been present for a few years in the shotcrete industry. Mechanically assisted applications, as hydraulic placement arm, which brought precision and control the movement of the nozzle are more popular. At the same time, the industry has seen the development of ultra-high-performance concrete (UHPC) and some special fiber-reinforced concretes which have allowed the design of construction elements with reduced thickness, therefore saving resources, but resulting in complex geometry structures that the use of formwork hardly allows. This is how the idea was born to combine mechanical shotcrete placement to create complex and optimized structures with these high-performance materials. This study has a dual objective. The first one is to acquire, install and put to work a robotized solution which, in the long term, will allow the development of an optimized and autonomous construction process for pneumatic spraying. The second objective is to study the placement parameters to further control and reduce rebound. he precise control of movement afforded by this equipment has allowed for a significant reduction in the amount of rebound, exploring areas where no data in the literature existed, and has challenged the effectiveness of some sprayed concrete practices.

Le béton projeté est une méthode de mise en place rapide, économique et polyvalente qui offre de multiples avantages par rapport au béton conventionnel dans divers types de constructions nouvelles et dans les réparations. Un des grands avantages du béton projeté est de permettre une mise en place sur des surfaces fortement irrégulières en utilisant peu on même aucun coffrage. Cependant, ces mêmes caractéristiques rendant le béton projeté avantageux et polyvalent peuvent le rendre vulnérable à la fissuration due au retrait restreint. Cette vulnérabilité vient de la restriction élevée inhérente à de nombreuses applications (projection adhérente sur substrat rigide). En effet, le béton développera des contraintes internes s’il ne peut manifester ses changements volumétriques librement, ce qui peut conduire à de la fissuration lorsque ces contraintes atteignent la résistance en traction du matériau. La fissuration des réparations due au retrait restreint est sans aucun doute un des plus grands défis auxquels l’industrie des réparations en béton fait face aujourd’hui. La fissuration peut raccourcir les années de service d’une structure en béton (corrosion accélérée, délamination, etc.) et engendre souvent des coûts des maintenances supplémentaires importants. Il existe peu d’informations fiables dans la littérature sur les paramètres qui influencent la fissuration due au retrait restreint des bétons projetés ainsi que sur leur comportement à long terme en service. Ce manque d’informations à propos de l’influence des différentes composantes du mélange et de la mise en place des bétons projetés rend difficile, voire impossible, la prédiction du comportement à long terme des bétons projetés face aux problèmes de fissuration. De plus, l’ensemble des paramètres individuels affectant la fissuration due au retrait restreint est très difficile à identifier. Pour cette raison, il est devenu impératif de caractériser le comportement volumétrique des bétons projetés au moyen d’essais de retrait restreint. Dans cette thèse, l’évolution de différentes propriétés à l’état frais et durci telles que la consistance de projection, le rebond, la résistance à la compression, la résistance à la traction par fendage, le module élastique, le retrait libre et le retrait restreint est étudiée. Ce projet se concentre particulièrement sur les mélanges et leur composition, la méthode de mise en place et le potentiel de fissuration due au retrait restreint. Le potentiel de fissuration sera évalué au moyen d’une procédure d’essai annulaire qui a récemment été adaptée et amélioré pour les bétons projetés. À partir des données expérimentales générées, une analyse approfondie du développement des contraintes et de la résistance à la fissuration des bétons projetée sera conduite. / Shotcrete is a fast, cost-saving, sustainable and versatile concrete placement method that offers numerous advantages over conventional concrete in a variety of new construction and repair works. One of the major benefits of the shotcrete process is that it can be sprayed over irregular surfaces and can cover large surfaces with little or no formwork. Howbeit, these same versatile features also often make shotcrete vulnerable to restrained shrinkage cracking. Cracking occurs mainly because of the highly restrained conditions that are inherent in many shotcrete applications (spraying on a rigid substrate). If shrinkage is restrained, internal tensile stresses are progressively induced in the element which can lead to cracking when the stresses eventually exceed the tensile strength of the material. Cracking of repair materials is unarguably one of the major challenges facing the repair industry worldwide today. Cracking can shorten the service life of concrete structures (accelerated corrosion, delamination, etc.) and often requires significant additional costly maintenance. Yet, reliable material data on parameters that influence the longterm service life and cracking in-place shotcrete is scarce. This lack of information on the influence of mixture composition as well as the placement process makes it difficult, if not impossible, to predict the long-term cracking behaviour of shotcrete. Furthermore, key mixture parameters that lead to cracking have been very difficult to identify. For this reason, it has become imperative for material characterization to be made on the basis of a restrained shrinkage test. In this thesis, different fresh and hardened shotcrete properties such as spraying consistency, rebound, compressive strength, splitting tensile strength, elastic modulus, free shrinkage, and restrained shrinkage deformation are investigated. The project focuses particularly on mix designs and compositions, placement process and the potential for cracking due to restrained shrinkage. The shrinkage ring test method which has been recently adapted and improved for shotcrete will be used to evaluate the cracking potential. Based on the experimental data that will be generated, an in-depth analysis of stress development and cracking resistance of shotcrete will be conducted.

Ce mémoire est consacré à l’étude des méthodes de cure et leurs impacts sur le retrait et la fissuration du béton projeté. Plus globalement, cette recherche traite de la problématique de la fissuration des réparations en béton. Généralement, les réparations en béton projeté génèrent rapidement de grandes surfaces de béton frais. Si elles sont mal protégées, les sollicitations liées au séchage peuvent mener à l’échec de la réparation. Une méthode de cure adéquate permet de prévenir la fissuration et d’augmenter la durabilité de la réparation. Beaucoup reste à faire en ce qui concerne les techniques de cure et de protection afin de déterminer celles qui fonctionnent vraiment. Afin d’évaluer l’apport bénéfique de différentes méthodes de cure sur le béton projeté, une méthode de mesure du retrait a été développée. Cette étape permet de combler l’absence de norme ou de méthode permettant aujourd’hui de mesurer le retrait du béton projeté et de quantifier en même temps l’impact bénéfique des méthodes de cure. Avec cette méthode, les différents produits de cure externe suivants ont été évalués et classés du plus efficace au moins efficace : un agent de cure et de scellement liquide semblable à ceux à base de solvant, un agent de cure et de scellement liquide à base d’eau, un retardateur d’évaporation et enfin, le moins efficace, un agent de cure liquide à membrane à base de résine. Par la suite, des produits de cure interne ont été testés avec la méthode de mesure développée. Les produits testés sont une fibre synthétique et une fibre de chanvre. La fibre synthétique apporte un bénéfice dès la mise en place. La fibre de chanvre semble avoir apporté des améliorations notables plus importantes vis-à-vis du retrait du béton à long terme. Finalement, une technique de cure fréquemment utilisée en chantier (jute humide et polythène) a été évaluée. Les résultats des essais de type chantier sont peu concluants et ne permettent pas d’apprécier l’apport bénéfique des paramètres testés en raison des particularités de la méthode de mesure. En conclusion, ce projet a rempli sa mission quant à la détermination des bénéfices des méthodes de cure sur le béton projeté. Il ouvre également la voie à de nombreuses applications et possibilités futures jusqu’alors non envisageable pour le béton projeté grâce à la méthode de mesure développée. / This thesis is devoted to the study of curing methods and their impacts on the shrinkage and cracking of shotcrete. More generally, this research deals with the problem of cracking of concrete repairs. Generally, shotcrete repairs quickly generate large areas of fresh concrete. If poorly protected, drying stress can lead to the failure of the repair. Curing methods prevent cracking and increase the durability of concrete repair. Much remains to be done with regard to cure and protection techniques to determine what really works. In order to evaluate the beneficial contribution of curing methods on shotcrete, a shrinkage measurement method is developed. This step makes it possible to fill the gap in the standards or methods used today to measure the shrinkage of shotcrete and at the same time to quantify the beneficial impact of curing methods on shrinkage. This method allows to start measuring shrinkage only 4 hours after placement. With this method, the following different external curing products are evaluated and classified from the most effective to the least effective : a solvent based liquid curing and sealing agent, a water-based liquid curing and sealing agent, an evaporation retarder and finally, the least effective, a resin-based membrane liquid curing agent. The solvent-based liquid curing and sealing agent provided the best results. Then internal curing products are tested with the developed measurement method. The products tested are synthetic fibre and a hemp fibre. Synthetic fibre brings an benefits as soon as the concrete is placed. Hemp fibre seems to have made more significant improvements in concrete shrinkage in the long term. Finally, a curing technique frequently used on site is evaluated. The results of this test are inconclusive and do not allow to assess the beneficial contribution of the tested parameters due to the particularities of the measurement method. In conclusion, this project fulfilled its mission to determine the beneficial effects of curing methods on shotcrete. It opens the way for many future applications and possibilities that were not previously possible for thanks to the measurement method developed.

Le béton projeté est une technologie en pleine expansion de plus en plus sollicitée pour des réparations de structures en béton. Au cours de la dernière décennie, des efforts considérables furent déployés pour accroître le niveau des connaissances fondamentales sur les propriétés du béton projeté, particulièrement pour le procédé de projection du béton par voie sèche. Malheureusement, très peu d'efforts de recherche furent axés sur le développement des connaissances de base reliées au procédé de projection par voie humide. Le développement et l'amélioration de la projection de béton par voie humide est n é c e s s a i r e dans un contexte où la demande pour ce matériau de réparation ne cesse de croître. De plus, puisque l'industrie se tourne vers des pompes ayant des boyaux de faibles diamètres (inférieurs à 38-mm), une réflexion approfondie sur cette méthode de mise en place basée sur l'analyse de données expérimentales fiables s'impose. L'utilisation adéquate du béton projeté par voie humide pour des applications de réhabilitation et de réparation nécessite une bonne connaissance de l'ensemble du procédé. L'objectif de ce projet de recherche est d'approfondir la compréhension des mécanismes impliqués dans le malaxage, le pompage et la mise en place du béton projeté par voie humide. D'après les besoins urgents manifestés par l'industrie, ce projet se concentre principalement sur les objectifs suivants : Appliquer une démarche scientifique à la conception des mélanges de béton afin d'améliorer la robustesse du béton projeté par voie humide pour maintenir les propriétés du béton frais dans le temps. Cette approche vise l'adaptation du procédé aux impondérables de la pratique tels que les délais d'attente, les températures élevées et le pompage avec des boyaux de faible diamètre. Étudier la cinétique de mise en place et les propriétés fondamentales du béton frais projeté par voie humide dans le but de développer des stratégies pour augmenter l'épaisseur de béton frais en place tout en minimisant le rebond sans avoir recours à un agent accélérateurs de prise. Améliorer la compréhension du rôle de l'air sur les propriétés de pompage et de l'effet du pompage sur les caractéristiques du réseau de bulles d'air résiduel afin d'introduire ces paramètres dans des modèles de prédiction de pompage existants. L'originalité de ce projet repose sur la résolution de problèmes techniques complexes par des approches scientifiques rigoureuses et fiables. C'est par la compréhension fondamentale du comportement des phases fluides et solides du béton lors de son transport par pompage et de sa mise en place que l'amélioration et l'optimisation du procédé de projection par voie humide sera possible.

Titre de l'écran-titre (visionné le 9 avril 2024) / L'optimisation durable du procédé de projection doit passer inévitablement par la diminution du désavantage le plus conséquent du procédé : le rebond. Pour diminuer efficacement ce dernier, il est primordial de bien comprendre les mécanismes qui régissent le phénomène. Les travaux de recherche antérieurs ont d'abord étudié le phénomène à l'échelle de la particule et ont réussi à produire le premier modèle de rebond. Par la suite, des études analysant le phénomène à l'échelle globale du jet de projection ont réfuté plusieurs des hypothèses de base de ce premier modèle particulaire. Les résultats de ces travaux à l'échelle du jet ont soulevé des interrogations quant au comportement du substrat à l'état frais et son influence sur le rebond. Ces interrogations ont mené à l'élaboration de l'hypothèse d'une zone fluide dans le substrat de béton projeté. La présente étude porte donc sur le comportement du substrat de béton projeté. Pour analyser le comportement, plusieurs essais de rebond de béton projeté par voie sèche ont été réalisés. Ces essais ont d'abord fait l'objet d'une analyse de la stabilité du procédé par voie sèche. Cette analyse a pour but de d'évaluer et réduire l'impact de la variabilité de l'équipement de projection sur la lecture des résultats. Elle a également pour but d'élaborer une méthode objective du traitement des données de rebond. Cette analyse critique des essais abouti à la création d'un nouveau paramètre comparatif des résultats de rebond : le rapport E/L théorique. Les adjuvants à béton étant nombreux et l'investigation des effets de la rhéologie en béton projeté étant limitée, une campagne d'essais de caractérisation rhéologique des bétons projetés est alors réalisée dans le but de déterminer l'effet rhéologique le plus efficace pour diminuer le rebond. Bien que le comportement du substrat soit déterminé par certains paramètres rhéologiques, une autre dimension exerçant une influence considérable sur le rebond doit être prise en compte, soit l'énergie d'impact des particules. L'hypothèse de la zone fluide énonce que l'énergie d'impact des granulats incidents permet d'induire une transition d'état du substrat, passant de l'état élastoplastique à l'état fluide. Les mesures de caractérisation rhéologique ont alors été répétées, cette fois sous sollicitation dynamique afin de reproduire les conditions menant à la transition d'état. Ces mesures ont permis de prouver l'impact d'un apport supplémentaire en énergie menant à la transition vers un état fluide. Cette preuve est la clé vers une diminution substantielle du rebond, mais elle est surtout un outil incontournable à l'amélioration de la compréhension des mécanismes du rebond et à l'élaboration d'un modèle général du phénomène. / Sustainable optimization of the shotcrete process must inevitably involve the reduction of the most significant disadvantage of the process: rebound. To effectively reduce rebound, it is essential to understand the mechanisms that govern the phenomenon. Previous research work first studied the phenomenon at the particle scale and succeeded in producing the first rebound model. Subsequently, studies analyzing the phenomenon at the global scale of the shotcrete spray have refuted several of the basic assumptions of this first particle model. The findings of the spray-scale research raised questions about the behaviour of the substrate in its fresh state and its influence on rebound. These questions led to the hypothesis of a fluid zone in the shotcrete substrate. The present study therefore focuses on the behaviour of the shotcrete substrate. To analyze behaviour, several dry mix shotcrete rebound tests were carried out. These tests underwent an analysis of process stability. The aim of this analysis is to assess and reduce the impact of the shotcrete equipment variability on result reading. It also aims to develop an objective method for processing the rebound data. This critical analysis of the tests led to creating a new comparative parameter for rebound results: the theoretical W/B ratio. As concrete admixtures are numerous and investigation of the effects of rheology in shotcrete is limited, a rheological characterization test campaign of shotcretes is then carried out in order to determine the most effective rheological effect to decrease rebound. Although the behaviour of the substrate is determined by certain rheological parameters, another dimension that has a considerable influence on rebound must be taken into account, namely, the impact energy of the particles. The fluid zone hypothesis states that the impact energy of incident aggregate induces a state transition in the substrate, from elastoplastic to fluid. The rheological characterization measurements were then repeated, this time, under dynamic solicitation to reproduce the conditions leading to the state transition. These measurements proved the impact of additional energy input leading to the transition to a fluid state. This proof is the key to a substantial reduction in rebound but above all it is an essential tool to improve the understanding of rebound mechanisms and developing a general model of the phenomenon.

S'inscrivant dans une problématique actuelle du génie civil relative aux phénomènes implicites à la durabilité des structures réparées en béton, cette étude se propose d'analyser le comportement des bétons de réparation en situation de mouvement empêché. Aux fins de l'investigation, les bétons autoplaçants (BAP) ont été ciblés pour le programme expérimental, étant donné qu'ils manifestent un bon comportement face à la fissuration, comme le révèlent les études des dernières années. Ainsi, un protocole expérimental comportant deux volets principaux a été élaboré. Le premier volet consiste à évaluer l'influence des paramètres de composition (ajouts minéraux, chimiques et organiques) sur la tendance à la fissuration des bétons étudiés. Cette étape comprend une campagne d'essais ciblée dont l'objectif est d'établir une corrélation entre les propriétés individuelles du matériau (résistance à la traction, module élastique, retrait, fluage) et son comportement en conditions de mouvement restreint. Le deuxième volet compte, quant à lui, une série d'essais visant à préciser et à comprendre l'impact de la température de mûrissement sur les propriétés individuelles, ainsi que sur le comportement du béton en situation de retrait restreint. La réalisation des deux volets expérimentaux a nécessité la préparation de près de 10000 litres de béton en laboratoire. Exploitant les résultats recueillis dans le cadre du programme expérimental, l'analyse est orientée vers le développement d'ime méthode de calcul pour l'évaluation quantitative de la compatibilité voluinétrique et de la sensibilité à la fissuration des matériaux de réparation en fonction de leurs propriétés individuelles. Le bilan de cette recherche permet, pour les matériaux utilisés dans les conditions établies en laboratoire, d'entrevoir une concordance entre l'approche quantitative théorique avancée et les résultats expérimentaux. Toutefois, l'approche en question nécessite d'être développée davantage afin de prendre en considération d'autres paramètres et ce, en vue de définir les critères de performance des matériaux de réparation en conditions de retrait restreint. Ainsi, l'approche théorique évaluant la performance (en tenues de compatibilité) des bétons en fonction de leurs propriétés individuelles contribuera, dans la pratique, au développement des matériaux de réparation à faible sensibilité à la fissuration.

Titre de l'écran-titre (visionné le 2 mai 2023) / Les bétons renforcés de fibres à ultra-hautes performances (BFUP) sont une nouvelle classe de composites de ciment aux propriétés mécaniques et de durabilité exceptionnelle qui inspirent la créativité architecturale, tout en prolongeant la durée de vie des bâtiments et des structures. Cette thèse vise à introduire de nouveau BFUP écologique avec des structures à faible teneur en ciment et des outils avancés pour tenir compte des défis industriels qui limitent l'utilisation du BFUP, en particulier l'architecture de formes complexes, telles que la distribution des fibres. Premièrement, les propriétés mécaniques d'un nouveau BFUP écologique à faible teneur en ciment qui a été récemment développé à l'Université Laval seront caractérisées dans cette étude en mettant l'accent sur des essais d'extraction et des essais de flexion. Ensuite, nous couplons la méthode d'inductance magnétique (MIM) et la méthode des éléments finis (FEM) pour tenir compte de la distribution des fibres afin de prédire le comportement en traction et en flexion du BFUP avec différentes distributions de fibres. Une vaste campagne expérimentale a été menée sur le test d'arrachement de fibre unique, le test de traction directe et le test de flexion à quatre points sur des éléments architecturaux aux formes complexes. Les méthodes de moulage ont également été variées pour comprendre l'effet de la distribution et de l'orientation des fibres. Sur la base des résultats présentés, ce travail a développé et validé avec succès un outil MIM-FEM pour prédire le comportement en traction du BFUP en tenant compte de la distribution non uniforme des fibres. En particulier, les éléments complexes de X-connexion d'un projet de passerelle futuriste pour le Québec sont utilisés pour évaluer les outils développés et leurs limites. Le présent travail offre une nouvelle direction pour favoriser les projets d'applications de BFUP au Québec pour améliorer leur fiabilité contre la distribution de fibres ainsi que pour introduire de nouveau BFUP à faible émission de carbone. / Ultra-High-Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) are a new class of cement composites with outstanding mechanical and durability properties which inspires architectural creativity, while extending the life of buildings and structures. This thesis aims to introduce novel ecological UHPFRC with low cement structures and advanced tools to account for industrial challenges which limit the use of UHPFRC, especially architecture of complex forms, such as the fiber distribution. Firstly, the mechanical properties of a new ecological UHPFRC with low cement which was recently developed at Laval Université will be characterized in this study with emphasis on pull-out tests and bending tests. Then, we couple the magnetic inductance method (MIM) and Finite Element Methods (FEM) to account for the fiber distribution to predict the tensile and bending behavior of UHPFRC with different fiber distributions. A wide experimental campaign was carried out on single fiber pull-out tests, direct tensile tests and four-point bending tests, along with bending tests on architectural elements with complex shapes. The casting methods were also varied to understand the effect of fiber distribution and orientation. Results from this work show the successful development and validation of MIM-FEM tool to predict the tensile UHPFRC behavior by considering a non-uniform fiber distribution. In particular, the complex X-connection elements of a futuristic footbridge project for Quebec is used to evaluate the tools developed and their limitations. The present work opens a new direction to foster UHPFRC applications projects in Quebec to enhance their reliability against the fiber distribution effects as well as for introducing novel UHPFRC with low carbon.

Le problème de la corrosion induite par les chlorures a toujours é té une question importante étudié e par les ingénieurs et les chercheurs au fil des ans. Dans les régions froides comme le Québec, la rigueur de l'hiver réduit la durabilité des structures : lorsque de l'eau contenant du sel de déglaçage entre en contact avec des structures en béton, cela entraîne une dé gradation progressive rapide du matériau en raison de la migration des chlorures dans le béton d'enrobage essentiellement par corrosion des aciers d'armature. Il est donc intéressant de bien comprendre les propriété s et les mécanismes de transport dans le béton, et de savoir comment la durabilité des structures est affecté e par ces différents processus de transport. De nombreux travaux de recherche étudient les différents mécanismes de transport à l'intérieur du béton, tant du point de vue numérique qu'expérimental. Cependant, des lacunes subsistent dans la construction du modèle numérique de transport pour représenter un béton en service sous sollicitation mécanique ainsi que dans le développement d'approches expérimentales, en particulier pour les nouvelles géné rations de bétons comme les bétons à ultra-hautes performances ou les bétons renforcé s de fibres à ultra-hautes performances (BUP/BFUP). L'objectif de cette thèse est d'étudier le transport multi-physique de différentes phases (eau liquide et vapeur) et espèces (sodium, chlorure, potassium, calcium, sulfate, etc.) dans les matériaux cimentaires traditionnels (CEM I-V) ainsi que les bétons à hautes performances (BUP&BFUP). A cette fin, plusieurs protocoles ou approches expérimentales innovantes ont été développé es et un modèle/logiciel de transport hygro-thermo-électrique multi-ionique couplé numériquement a été développé à deux dimensions (2D), soit pour mesurer les propriétés de transport du matériau étudié, soit pour simuler et pré dire le comportement de transport de ceux-ci. Tout d'abord, les tests de durabilité (test de diffusion thermique, test de séchage, test d'absorption capillaire) sur le béton traditionnel issus de la littérature ont été étudiés et sur la base de la procédure de calibration, un modèle de transport hygrothermique de l'eau (TransChlor2D) pour les matériaux en bé ton traditionnel a été établi. En particulier, ce nouveau modèle bidimensionnel a correctement pris en compte l'effet de succion capillaire de l'eau dans les structures en bé ton sec soumises à l'environnement humide. Ensuite, afin de mettre en œuvre le modèle sur les matériaux BUP/BFUP, un test isotherme de sorption de la vapeur d'eau (WVSI) a été réalisé. Grâce à la dernière technologie dynamique vapeur sorption (DVS), l'expérience a permis d'enregistrer le processus d'hystérésis de sorption dans de petits échantillons BUP/BFUP broyés. L'hystérésis de sorption a montré une forme triangulaire, ce qui est nouveau par rapport à l'isotherme de sorption des matériaux cimentaires traditionnels (pâte de ciment ou béton ordinaire). Une formule analytique a également été développée pour décrire les courbes isothermes d'adsorption et de désorption du BFUP. Enfin, le modèle TransChlor2D a été é tendu à un modèle multi-ionique, pour modéliser la pénétration de différentes espèces ioniques dans le béton, avec le couplage d'un potentiel électrique externe et des effets de fissuration. Le processus de transport couplé a été modélisé avec une équation de Nernst-Planck modifiée. Les effets de chargement considèrent l'influence des fissures ou des microfissures sur les diffusivités ioniques. Des tests de flexion ont été effectué s sur des poutres en BFUP pour générer des microfissures, qui ont été capturé es par une technologie de corrélation d'images numériques (DIC). Le matériau fissuré a ensuite été modélisé avec un algorithme de détection des dommages qui est ensuite intégré dans TransChlor2D. Les résultats de la simulation du transport multi-ionique dans des poutres BFUP endommagées ont montré que les microfissures développées en raison de la charge pourraient être un facteur crucial modifiant la résistance à la corrosion du matériau, et que les structures réelles présentant des fissures devraient être bien protégées pour éviter une détérioration rapide Le modèle/logiciel de transport multi-physique (TransChlor2D), développé dans cette recherche, peut être utilisé efficacement par les ingénieurs ou les gestionnaires de projets pour réaliser l'estimation de la durée de vie des structures. Les résultats prometteurs des simulations numériques ont prouvé que le modèle est très précis pour les prédictions au niveau de la structure. Les nouveaux résultats des expériences ont également révélé certaines propriétés de transport uniques du BUP/BFUP qui diffèrent des matériaux en béton traditionnels, et les protocoles proposé s peuvent être particulièrement utiles pour les futures études de durabilité du BUP/BFUP. / Chloride induced corrosion problem has always been an important issue studied by engineers and researchers over years. In cold regions like Québec, the winter severity degrades structures' durability: when water containing de-icing salt is in contact with concrete members, it will lead to a fast-progressive degradation of the material as a result of chloride migration in the concrete cover that corrodes reinforcement steel bar. Therefore, it is a topic of interest to have a clear understanding of the concrete material's transport properties and mechanisms, and how structure's durability is affected by these transport processes. Numerous research investigate the different transport mechanisms inside concrete materials, from both numerical and experimental perspectives. However, the gap remains in building the numerical transport model to represent concrete structures in service state with mechanical solicitation as well as in developing experimental approaches, particularly for new generations of concretes like Ultra-High-Performance Concrete or Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete (UHPC/UHPFRC) The objective of this thesis is to study multi-physics transport of different phases (liquid and vapor water) and species (sodium, chloride, potassium, calcium, sulfate, etc.) in both traditional cement materials (CEM I-V) and high performance concretes (UHPC&UHPFRC). To this end, several innovative experimental protocols or approaches have been developed and a numerically coupled multi-ionic hygro-thermo-electrical transport model/software has been developed in two dimensions, either to measure the transport properties of the studied material or to simulate and predict the transport behavior of them. Firstly, the durability tests (thermal diffusion test, drying test, capillary absorption test) on traditional concrete form the literature were studied and based upon the calibration procedure, a hygro-thermal water transport model (TransChlor2D) for traditional concrete materials was established. Particularly, this new two-dimensional model correctly considered the water capillary suction effect in dry concrete structures. Then, in order to implement the model on UHPC/UHPFRC materials, a water vapor sorption isotherm test (WVSI) was carried out. With the latest DVS technology, the experiment recorded the sorption hysteresis process in small crushed UHPC/UHPFRC samples. The sorption hysteresis showed a triangular shape, which was novel compared to the sorption isotherm of traditional cement materials (cement paste or regular concrete). An analytical formula was also developed to describe the adsorption and desorption isotherm curves of UHPFRC. Finally, TransChlor2D model was extended into a multi-ionic model, to model the penetration of different ionic species in concrete, with the coupling of an external electric potential and loading effects. The coupled transport process was modeled with a modified Nernst-Planck equation. The loading effects was considered as the influence of cracks or microcracks on ionic diffusivities. Bending tests were carried out on UHPFRC beams to generate microcracks, which was captured by a Digital Image Correlation technology. The cracked material was then modeled with damage detection algorithm integrated in TransChlor2D. The simulation results of multi-ionic transport in damaged UHPFRC beams showed that the microcracks developed due to loading could be a crucial factor changing material's corrosion resistance, and real structures with cracks should be well protected to avoid fast deterioration. The multi-physics transport model/software (TransChlor2D) developed and validated in this study may be effectively useful for engineers or project managers to perform structure service life estimation. The promising results from numerical simulations proved it to be significantly accurate for structural level predictions. The new findings from the experiments also revealed some unique transport properties of UHPC/UHPFRC that differs from the traditional concrete materials, and the proposed protocols can be especially useful for future durability study on UHPC/UHPFRC.

Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse de doctorat traitent d’une problématique importante de la durabilité des structures en béton, soit la corrosion des armatures. L’objectif principal de la thèse est de comprendre l’influence de la fissuration du béton de recouvrement sur l’initiation et la propagation de la corrosion. Il s’agit d’un travail expérimental où tous les essais sont réalisés de façon à reproduire du mieux possible les conditions naturelles d’exposition responsables de l’apparition de la corrosion dans le béton armé. Les éprouvettes de béton ont donc été soumises à des cycles de mouillage (solution saline) et de séchage. L’évolution de la corrosion est suivie par des méthodes de mesures électrochimiques non destructives. La nature et la distribution des produits de corrosion formés dans le béton sont analysées pour différents niveaux de propagation de la corrosion. Puisque plusieurs chercheurs utilisent des méthodes accélérées pour faire apparaître la corrosion, des essais ont été réalisés en parallèle afin d’évaluer la fiabilité de ces méthodes. Les résultats montrent des différences importantes sur la distribution des produits de corrosion. Ainsi, un protocole d’essai représentatif de la réalité a été mis au point pour générer la corrosion des armatures dans des éprouvettes de mortier. Une méthodologie précise a aussi été établie afin d’analyser le type et la distribution des oxydes et hydroxydes formés autour des armatures. Une première évaluation de l’initiation et de la propagation de la corrosion a été réalisée sur des bétons sains (non fissurés). Les résultats montrent que l’environnement chimique et la porosité du béton ont une influence sur la nature et la distribution des produits de corrosion. Par la suite, des éprouvettes fissurées artificiellement ont été fabriquées afin de suivre l’initiation et la propagation de la corrosion. La présence d’une fissure dans une éprouvette favorise clairement l’initiation de la corrosion. La magnétite est le principal oxyde qui se forme à l’interface acier / béton. Suivant les périodes de séchage et la présence de fissures, la magnétite se transforme en goéthite et en akaganéite. L’analyse d’éprouvettes chargées mécaniquement comprenant plusieurs fissures a montré que les chargements cycliques ont aussi une influence sur la corrosion des armatures. Cette influence est liée à l’endommagement de l’interface acier / béton qui favorise la propagation de la corrosion et qui modifie la nature et la distribution des produits de corrosion. / The work conducted in this thesis concerns reinforced steel corrosion, which is one of the most important problems affecting the durability of reinforced concrete structures. The principal objective of the thesis is to understand the influence of concrete cracking on corrosion initiation and propagation. This thesis presents experimental work where all tests are done in order to better represent real exposure conditions. Concrete samples are submitted to wetting (saline solution) and drying cycles. The evolution of corrosion of the reinforcement is followed using non-destructives electrochemical techniques. The nature and distribution of the corrosion products formed in concrete are analyzed at different level of corrosion. Since researchers often use accelerated techniques to initiate corrosion, a supplemental test campaign have been done in order to evaluate the reliability of these accelerated techniques. The results show some important differences on the nature and distribution of corrosion products. Subsequently, an experimental protocol representing natural exposure conditions has been set up in order to generate reinforced steel corrosion in mortar. A precise methodology for analyzing the nature and the distribution of corrosion products has also been followed. A first evaluation of corrosion initiation and propagation has been done on uncracked mortars. The results show that the chemical environment and the porosity of concrete have significant influence on the nature and the distribution of corrosion products. Artificially cracked specimens were also prepared to understand the influence of cracks on corrosion initiation and propagation. Results show that the presence of a crack increases the probability of corrosion initiation. The magnetite is the main oxide formed at the steel / concrete interface. Following wetting and drying cycles, the magnetite changes in goethite and akaganeite. Results from loaded and multi-cracked specimen show that cyclic loading also have some effect on corrosion kinetic. This influence seems to be related to the deterioration of steel / concrete interface, which further promotes corrosion propagation and also modify the nature and distribution of corrosion products.

La recherche dans le domaine des matrices cimentaires nouvelles est très active aujourd’hui et elle s’intéresse à divers aspects comme les temps de prises contrôlés, le développement des résistances mécaniques rapide ou encore la rhéologie adaptée. Des études récentes ont permis de mettre de l’avant de nouveaux systèmes cimentaires non traditionnels, incorporant des ciments d’aluminate de calcium, de phosphate de magnésium, de sulfoaluminate de calcium ou encore un mélange de plusieurs bases cimentaires. Les matrices à base de ciment Portland (OPC), de ciment d’aluminate de calcium (CAC) et de sulfate de calcium ( ̅) ont démontré un développement des résistances mécaniques en bas âge très rapide. Cependant, ce type de liant mélangé présente des problèmes de maniabilité rendant ce système difficilement compatible avec le béton coulé en place. Le premier objectif de ce projet vise à contourner ce problème en utilisant le béton projeté par voie sèche comme méthode de mise en place. En effet, puisque le contact eau-ciment survient immédiatement avant la mise en place, le problème de la maniabilité déficiente est évité. Il faut cependant rester vigilant car les mélanges OPC-CAC- ̅ présentent un comportement expansif incontrôlé s’ils sont mal proportionnés. En parallèle à cet objectif de hautes résistances mécaniques à jeune âge, un paramètre d’étude additionnel est l’incorporation de fibres au mélange de béton projeté par voie sèche afin d’atteindre un comportement en flexion de type écrouissant. Les résultats obtenus démontrent qu’il est possible de mettre au point un mélange de béton projeté par voie sèche basé sur une matrice OPC-CAC- ̅ qui permet une projection avec un équipement de projection conventionnel. Un béton projeté ayant une résistance d’environ 10 MPa à 1h, 30 MPa à 3h et atteignant sa résistance finale de 50 MPa en une seule journée a été produit dans le cadre de ce projet. Cependant, cette étude met également de l’avant la grande variabilité et sensibilité de ces matrices ternaires. Une variation d’aussi peu que 1,5% de la teneur en sulfate de calcium peut engendrer des variations de résistances en compression de près de 20 MPa. La mise en place de béton projeté par voie sèche à haut volume de fibre s’est avérée impossible avec l’équipement utilisé. / Research in the field of emerging cementitious materials is very active nowadays and is focusing on various aspects such as controlled setting time, rapid strength gain and adapted rheology. Recent studies have brought forward non-traditional cementitious material systems, incorporation calcium aluminate cement, magnesium phosphate cement, calcium sulfoaluminate cement or blends of several cements. Blended cements composed of ordinary Portland cement (OPC), calcium aluminate cement (CAC) and calcium sulphate ( ̅) have shown very rapid gain in early mechanical strength. However, this type of blended binder also exhibits very difficult workability that limits its use in regular cast in-place concrete applications. The first objective of this research project is to bypass this problem using dry-mix shotcrete as a placement method. Since the contact of water-cement occurs immediately before the placement, workability problem are avoided. However, the use of these binders requires vigilance because the OPC-CAC- ̅ mix may show an uncontrolled expansive behaviour if incorrectly formulated. To complement this objective of high early-strength, an additional study parameter is the possible incorporation of fibres in dry-mix shotcrete in order to obtain a flexural strain-hardening behaviour. Results show that it is possible to design a dry-mix shotcrete based on OPC-CAC- ̅ binder that allows proper placement with conventional shotcrete equipment. A shotcrete with a compressive strength of 10 MPa at 1h, 30 MPa at 3h and reaching its final strength of 50 MPa in a single day has been produced in this project. However, this study also brings forward the variability and sensitivity of this kind of binder. A variation as low as 1,5% of the calcium sulphate content can create a variation in the compressive strength of nearly 20 MPa. The placement of dry-mix shotcrete containing high volume of fibres was unfortunately impossible with the equipment used.